复合相变储能装置以及储能效率自动调节方法

技术领域

本发明涉及储热技术领域，特别涉及一种复合相变储能装置以及储能效率自动调节方法。

背景技术

在多种储热技术中，固-液相变储热具有储热密度大、体积变化小、过程易控制等优点。因此，利用相变材料(Phase Change Material，即PCM)进行潜热储能已受到业界重视。相变储热技术通过利用相变材料发生相变时吸收或释放大量潜热的特性，能够满足在用电低谷时将余热储存在相变储热装置中，在用电高峰时储热装置代替传统热源将蓄存的热量释放进行供暖。相比于显热储热技术，相变储热技术由于利用潜热，储热密度相对更大；相比于热化学储热技术，相变储热技术更成熟稳定，容易控制。

相变储热装置实际上是一种实现热水与相变材料间接换热的换热器。其换热形式多样，可以在管内通入利用工业余热或锅炉热的热水与管外的相变材料进行热交换，形成吸热并进一步完成储热，水管形式有蛇形盘管和螺旋盘管等。当需要热水时，在盘管中通入冷水，从相变材料中吸取热量升温，完成相变材料的放热过程。

中国专利申请CN113203114A公开了一种提升相变材料利用率的相变储热供暖装置，该装置包括外部箱体和内部换热管结构，热水流入，先与底部的相变材料进行热交换，再向上流动与周围的相变材料进行换热，最后流出。由于装置下部水温普遍较高，与相变材料的换热温差大并且换热效果明显；而装置上部增大了换热面积，使得装置内的大部分相变材料受热均匀且充分。该方案通过箱体的结构设计和盘管特殊的布置方式虽然可以提高换热效率，但并没有在相变材料的使用方面进行改进，如果单独使用相变温度低的材料，供暖需要的出水温度可能不能完全保证，而单独使用相变温度高的材料，又存在热密度小的问题，节能效果无法有效保证。

因此，亟需一种从相变材料使用角度进行改进的方案，从而既能有效保证出水温度，又能大幅提高节能效果；在使用两种不同相变温度的相变材料实现充热和放热的基础上可进一步自动调节储能效率。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合相变储能装置以及储能效率自动调节方法，既能有效保证出水温度，又能大幅提高节能效果；在使用两种不同相变温度的相变材料实现充热和放热的基础上可进一步自动调节储能效率。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种复合相变储能装置，包括箱体以及固定在箱体内的换热盘管，箱体包括：第一浮动腔体，其内填充第一相变材料，该第一相变材料与位于第一腔体内的换热盘管部分进行换热；第二浮动腔体，其内填充第二相变材料，该第二相变材料与位于第二腔体内的换热盘管部分进行换热；第二相变材料的相变温度高于第一相变材料的相变温度；自平衡单元，其在第一相变材料和/或第二相变材料充热和放热过程中使第一浮动腔体和第二浮动腔体做上下相对运动。

进一步，上述技术方案中，第一相变材料和第二相变材料均可为无机相变材料；第一相变材料的相变温度可以为50℃至60℃；第二相变材料的相变温度可以为79℃至90℃。

进一步，上述技术方案中，自平衡单元可以包括：第一齿条，其固定在第一浮动腔体的侧壁上；第二齿条，其固定在第二浮动腔体的侧壁上；该第二齿条与第一齿条相对设置；齿轮，其位于第一齿条和第二齿条之间并分别与两个齿条相啮合。

进一步，上述技术方案中，第一浮动腔体和第二浮动腔体顶部可设有空心浮块，用于在相变材料从固相转化为液相时增加对浮动腔体的反作用力。

进一步，上述技术方案中，第一浮动腔体和第二浮动腔体底部均可设有减震弹簧。

进一步，上述技术方案中，第一浮动腔体和第二浮动腔体中可均匀间隔设置横隔板。

进一步，上述技术方案中，箱体的外壳和第一浮动腔体、第二浮动腔体之间可设置保温层，该保温层为发泡聚氨酯层、气凝胶保温层、无机纳米保温层或真空绝热板中的一种或多种组合。

进一步，上述技术方案中，第一浮动腔体和第二浮动腔体内可分别设有：温探盲管，其用于测量第一相变材料和第二相变材料的相变温度。气动搅拌机构，当相变材料处于液相放热状态时，对第一相变材料和第二相变材料进行气动搅拌。

为实现上述目的，根据本发明的第二方面，本发明提供了一种储能效率自动调节方法，包括如下步骤：利用废热使换热盘管中的热水依次流经位于第一浮动腔体内的第一相变材料和位于第二浮动腔体内的第二相变材料；第一相变材料首先开始从固相转化为液相，此过程中第一浮动腔体下降；在自平衡单元的作用下第二浮动腔体上升，增加固相的第二相变材料与换热盘管的接触区域；第二相变材料从固相转化为液相的过程中，在自平衡单元的作用下第二浮动腔体下降，第一浮动腔体上升，完成相变材料的充热过程。

进一步，上述技术方案中，该方法还包括如下步骤：使待加热冷水依次流经位于第一浮动腔体内的第一相变材料和位于第二浮动腔体内的第二相变材料；第一相变材料首先开始从液相转化为固相，此过程中第二浮动腔体下降；在自平衡单元的作用下第一浮动腔体上升，增加液相的第一相变材料与换热盘管的接触区域；第二相变材料从液相转化为固相的过程中，在自平衡单元的作用下第二浮动腔体上升，第一浮动腔体下降，完成相变材料的放热过程。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明的箱体设有两个相对独立的浮动腔体，在两个浮动腔体中分别填充相变温度不同的两种相变材料。相变材料放热给冷水加热时，待加热的冷水首先进入第一腔体内的换热盘管部分中，第一相变材料可以对盘管中的水加热到一个较低的温度。经过第一浮动腔体中填充的相变材料加热到一定温度后的水继续沿换热盘管流动，进入第二浮动腔体内的盘管部分，由于第二相变材料的相变温度高于第一相变材料的相变温度，此时第二腔体中的第二相变材料可以对已经加温到一定温度后的水进一步加热并提高温度，经过第二相变材料的加热过程，从出水管流出的水温可以明显提高，不仅可以满足更高的供温需求，而且在同样的供温要求下，箱体尺寸相对于现有技术中使用单一的相变温度较高的相变材料，可以做的更小，大大增加了设备的适用性，且提高了装置的换热效率，减少能量损耗；

2)本发明的装置和储能效率自动调节方法通过自平衡单元、空心浮块的作用，以及相变材料从固相转化为液相体积变大的原理，可实现两个浮动腔体上下相对运动。通过实现两种相变材料储能或释放能量效率的自动调节，可以有效提高两个腔体中填充的不同相变温度的相变材料与换热盘管的换热效率。

上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1是本发明复合相变储能装置的立体结构示意图(已去除箱体外壳和箱体内大部分换热盘管，且并未示出箱体内填充的相变材料)。

图2是本发明复合相变储能装置图1的正视图。

图3是图2的A处局部放大图。

图4是本发明复合相变储能装置图1的侧视图。

图5是本发明复合相变储能装置图1的俯视图。

主要附图标记说明：

1-复合相变储能装置，10-箱体框架，11-箱体外壳，12A-第一浮动腔体，12B-第二浮动腔体，120-空心浮块，121-第一温探盲管，122-第二温探盲管，123-减震弹簧，124-横隔板，13-保温层，14-换热盘管，141-进水管，142-出水管，2-自平衡单元，20-齿轮，21-第一齿条，22-第二齿条。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。

如图1至5所示，本发明的复合相变储能装置为一种双相变材料复合相变储能装置，即在同一设备中使用两种不同的相变材料进行储热和放热。该储能装置包括箱体以及设置并固定在箱体内的换热盘管14，箱体由箱体框架10搭建而成，具有箱体外壳11和外壳中的第一浮动腔体12A和第二浮动腔体12B。箱体外壳11可根据使用场景的需要制作成圆柱体、方柱体或板状结构，外壳底部设有底座。换热盘管14可以选择使用铜管，本发明的换热盘管14设有一根进水管141和一根出水管142，设于箱体顶部两侧，一个进水口和一个出水口使得箱体内不同位置填充的相变材料沿水流方向依次进行储热或放热。换热盘管14的进口与出口均伸出到浮动腔体的外部，并分别与进水管141及出水管142焊接连通，使得换热盘管14与进水管141及出水管142的所有焊点均位于浮动腔体的外面，不受相变材料的浸泡。箱体顶部还可设有与大气相通的通气孔，可保证整个装置始终在常压下工作。优选而非限制性地，在外壳11和第一浮动腔体12A、第二浮动腔体12B之间可设置保温层，保温层可以为发泡聚氨酯层、气凝胶保温层、无机纳米保温层或真空绝热板(即VIP板)中的一种或多种组合。

本发明的储能装置包括充热和放热过程，相变材料充、放热的原理具体如下，充热过程：利用工业余热或锅炉热使热水通过换热盘管14加热相变材料，相变材料吸收热量后温度逐渐升高至相变温度点，发生相变并继续吸热，相变完全后仍可继续升温吸热，完成充热过程；放热过程：当需用热水时(例如应用于供暖实施)，通过控制阀门开关将冷水通过换热盘管14从相变材料吸取热量升温成热水供需求使用，实现即热功能。随着冷水不断的吸热相变材料温度下降，在相变温度点发生相变，并释放出潜热，相变过程中和相变结束后相变材料温度继续下降释放热量，完成放热过程。

进一步如图1至5所示，箱体内设有两个浮动腔体，即第一浮动腔体2A和第二浮动腔体2B，两个浮动腔体可以左右对称设置并间隔一段距离。换热盘管14遍布在两个浮动腔体中，其中第一浮动腔体中填充第一相变材料(图中未示出)，第一相变材料与位于第一浮动腔体内的换热盘管部分进行换热。第一相变材料可以选择无机相变材料，例如：三水醋酸钠。第一相变材料的相变温度优选为50℃至60℃(该相变温度较低，焓值高)。以相变材料放热过程为例，由于从进水管141进入的待加热的冷水首先进入第一浮动腔体2A内的换热盘管部分中，第一相变材料可以对盘管中的水加热到一个较低的温度。其中，第二浮动腔体中填充第二相变材料(图中未示出)，第二相变材料与位于第二浮动腔体2B内的换热盘管部分进行换热。第二相变材料也可采用无机相变材料，例如：六水硝酸镁。第二相变材料的相变温度高于第一相变材料的相变温度。具体地，第二相变材料的相变温度优选为79℃至90℃(该相变温度较高，焓值低)。这样经过第一浮动腔体2A中填充的相变材料加热到一定温度后的水继续沿换热盘管14流动，进入第二浮动腔体内的盘管部分，此时第二浮动腔体中的第二相变材料可以对已经加温到一定温度后的水进一步加热并提高温度，经过第二相变材料的加热过程，从出水管142流出的水温可以明显提高，不仅可以满足更高的供温需求，而且在同样的供温要求下，箱体尺寸相对于现有技术中使用单一的相变温度较高的相变材料(此种情况热密度小，加热到同等程度，箱体尺寸会比较大)，可以做的更小，大大增加了设备的适用性，且提高了装置的换热效率，减少能量损耗。

进一步如图2、3所示，本发明的第一浮动腔体2A和第二浮动腔体2B通过自平衡单元2和两个浮动腔体底部设置的减震弹簧123可实现上下相对运动，即在第一相变材料和/或第二相变材料充热和放热过程中通过自平衡单元2使第一浮动腔体2A和第二浮动腔体2B做上下相对运动。具体地，自平衡单元可包括：第一齿条21、第二齿条22以及齿轮23。参见图3，其中第一齿条21固定在第一浮动腔体2A靠近箱体中部的侧壁上。第二齿条22固定在第二浮动腔体2B靠近箱体中部的侧壁上且第二齿条22与第一齿条21相对设置。齿轮20位于第一齿条21和第二齿条22之间并分别与两个齿条相啮合。当其中一个浮动腔体向上或向下运动时，通过齿条和齿轮的传动，另一个浮动腔体同时进行向下或向上运动。优选而非限制性地，自平衡单元2可如图2、5中设置四组。另外，第一浮动腔体2A和第二浮动腔体2B顶部设有空心浮块120，当相变材料为液相时，空心浮块120的上表面可抵接在箱体的上盖板上，下表面浸没在液相材料中，由于相变材料从固相转化为液相时体积增大，通过空心浮块120的反作用力可以推动其中一个浮动腔体下降，同时由于自平衡单元的作用，另一个浮动腔体上升。采用这样的双浮动腔体且两个腔体可上下相对运动，可以有效提高两个腔体中填充的不同相变温度的相变材料与换热盘管的换热效率，即实现两种相变材料储能或释放能量效率的自动调节。

下面根据第一相变材料和第二相变材料的充热和放热过程来说明该储能(或释放能量)效率自动调节方法，该调节方法包括如下步骤：

充热过程：首先，利用工业余热或锅炉热等废热使换热盘管14中的热水依次流经位于第一浮动腔体2A内的第一相变材料和位于第二浮动腔体2B内的第二相变材料；第一相变材料(即低温相变材料)首先开始从固相转化为液相，由于液相储热材料体积变大，且换热盘管14与箱体框架10固定，此过程中所述第一浮动腔体2A下降；同时，在自平衡单元2的作用下第二浮动腔体2B上升，在第二浮动腔体2B上升过程中，可以有效增加还处于固相的第二相变材料(即高温相变材料)与换热盘管的接触区域，并且由于换热盘管位置固定，盘管的下方并不接触浮动腔体底部，并且盘管上方与相变材料还有一定距离，当第二浮动腔体2B上升，可使第二浮动腔体2B将整个盘管浸没从而提高整体换热效率，减少能源浪费，即还未完全转化为液相的高温相变材料可以尽可能多的埋入换热盘管中保证还未储到能的高温相变材料可以更快的完成储能；第二相变材料从固相转化为液相的过程中，在自平衡单元的作用下第二浮动腔体2B下降，第一浮动腔体2A上升，直至两个浮动腔体恢复水平，完成相变材料的充热过程。

放热过程：当需用热水时，通过控制阀门开关将待加热冷水通过换热盘管14从相变材料吸取热量升温成热水供需求使用，实现即热功能。待加热冷水依次流经位于第一浮动腔体2A内的第一相变材料和位于第二浮动腔体内的第二相变材料；此时第一相变材料首先开始从液相转化为固相，随着冷水不断的吸热，相变材料温度下降，第一相变材料(即低温相变材料)首先凝固，此时第二相变材料(即高温相变材料)还处于液态，由于前述反作用力，第二浮动腔体2A下降；在自平衡单元2的作用下第一浮动腔体2A上升，增加液相的第一相变材料与换热盘管的接触区域，也即会使低温相变材料更接近换热盘管，来更好地吸收热量；第二相变材料从液相转化为固相的过程中，在自平衡单元的作用下第二浮动腔体2B上升，第一浮动腔体2A下降，完成相变材料的放热过程。即当低温相变材料放热结束，高温相变材料开始继续放热，直到整个放热阶段结束。

进一步如图2、4所示，第一浮动腔体2A和第二浮动腔体2B中可均匀间隔设置横隔板124。这样可以将第一浮动腔体和第二浮动腔体分隔，保证每个隔断中的相变材料的换热效率。

进一步如图1至5，第一浮动腔体2A和第二浮动腔体2B内还分别设有温探盲管，即第一温探盲管121和第二温探盲管122，可分别用于测量第一相变材料和第二相变材料的相变温度。为了进一步提高换热效率，在第一浮动腔体和第二浮动腔体中还可设置气动搅拌机构(图中未示出)，当第一相变材料或第二相变材料处于液相放热状态时，可对第一浮动腔体内的第一相变材料和第二浮动腔体内的第二相变材料分别进行气动搅拌。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。